凍融循環(huán)下土石混合體-混凝土界面剪切特性及孔隙結(jié)構(gòu)演化特征試驗研究

唐麗云，黃濤，汪衛(wèi)兵，金龍，孫強，李國玉，羅滔

(1. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安，710054；2. 西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安，710054；3. 中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安，710075；4. 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安，710054；5. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州，730000；6. 西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安，710123)

土石混合體作為一種特殊工程地質(zhì)體主要由塊石及細粒土體組成，孔隙結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜且具有較強的環(huán)境依賴性[1-3]。土石混合體-混凝土界面問題廣泛存在于寒區(qū)各類工程建設(shè)中[4]，受凍融作用影響，界面區(qū)水熱活動頻繁，冰晶體反復(fù)消融重聚改變顆粒間的排列及聯(lián)結(jié)方式，同時孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化甚至出現(xiàn)架空結(jié)構(gòu)，界面區(qū)骨架受力重組，誘發(fā)土石混合體-混凝土界面強度劣化，進而破壞建(構(gòu))筑物原有的穩(wěn)定性，導(dǎo)致失穩(wěn)破壞現(xiàn)象頻發(fā)[5-7]。因此，有必要對凍融循環(huán)下土石混合體-混凝土界面細觀孔隙結(jié)構(gòu)演化特征及強度劣化特性進行探究，以期通過細觀孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律揭示界面強度損失的內(nèi)在機理。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于不同影響因素下土體與混凝土界面宏觀力學(xué)特性開展了大量的研究工作。ZHAO 等[8-9]對人工凍結(jié)粉砂結(jié)構(gòu)接觸面進行直接剪切試驗，發(fā)現(xiàn)在剪切位移為0.7 mm 時剪切應(yīng)力達到最大，同時凍結(jié)溫度對最大剪應(yīng)力和最終剪應(yīng)力都有重大影響；SUN 等[10-11]開展了不同邊界條件下凍土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪切試驗，認為凍土與混凝土接觸面層受力變形特性受法向應(yīng)力、含水率、凍土溫度等因素影響顯著；LIU等[12-13]進行了凍土-混凝土界面系列直剪試驗，研究發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)力-位移曲線可分為5個階段，即彈性變形階段、塑性變形階段、整個滑動階段、應(yīng)變硬化階段和穩(wěn)定殘余強度階段，峰值抗剪強度與法向壓力和溫度呈線性關(guān)系；張國棟等[14]開展了土石混合體-混凝土接觸面大型直剪試驗，發(fā)現(xiàn)高法向應(yīng)力下應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，低法向應(yīng)力下則為應(yīng)變硬化型；馮大闊等[15]研究表明，在單調(diào)和循環(huán)剪切過程中，粗粒土與人工粗糙鋼板組合體的界面發(fā)生明顯剪切變形，在循環(huán)剪切過程中，界面逐漸剪切硬化，主應(yīng)力應(yīng)變曲線形式為理想彈塑性模型；成浩等[16]通過碎石料與結(jié)構(gòu)界面的大型直剪試驗發(fā)現(xiàn)，碎石含量對界面的力學(xué)特性有顯著影響，界面剪切強度隨碎石含量的增大而增大；陳靜等[17]進行了不同含石量土石混合體與抗滑樁的大型直剪試驗，發(fā)現(xiàn)隨著含石量的增大，界面處抗剪強度及內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出先減小后增大的拋物線型變化趨勢，而黏聚力則逐漸減??；張嘎等[18-19]對粗粒土與結(jié)構(gòu)界面在單調(diào)荷載作用下的力學(xué)特性進行試驗研究，并從宏觀和細觀2個角度分析總結(jié)了界面的力學(xué)特性和受力變形機理；楊忠平等[20]通過土石混合體-基巖界面直剪試驗發(fā)現(xiàn)，隨法向應(yīng)力增大，剪切應(yīng)力-位移曲線由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變，抗剪強度隨含石率的增加呈先增大后減小的趨勢。經(jīng)凍融作用后，土體的力學(xué)特性變化較常溫土體更為復(fù)雜，丑亞玲等[21]采用不固結(jié)不排水直剪試驗，開展了凍融次數(shù)、基質(zhì)吸力等因素對非飽和氯鹽漬土結(jié)構(gòu)、非飽和黃土結(jié)構(gòu)[22]界面力學(xué)性能影響的相關(guān)研究，結(jié)果表明，隨著凍融次數(shù)增加，界面黏聚力呈現(xiàn)下降趨勢；何鵬飛等[23]進行了不同凍融次數(shù)、法向應(yīng)力等因素下的凍土-混凝土界面直剪試驗，結(jié)果表明，凍融循環(huán)對界面剪應(yīng)力與水平位移曲線的影響較小，且峰值剪切強度隨凍融循環(huán)增加而降低。在凍融循環(huán)下，界面處土石混合體孔隙骨架結(jié)構(gòu)變化是界面力學(xué)特性劣化的重要原因?？紫斗中翁卣骺捎糜诜从吃嚇涌紫督Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越高，其孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。針對土石混合體這類多孔介質(zhì)，眾多學(xué)者基于壓汞法[24]、電鏡掃描[25]、NMR[26-28]等技術(shù)對其內(nèi)部孔隙分形特征展開分析，定量評價孔隙結(jié)構(gòu)特征。以上研究主要集中于凍土-混凝土、常溫下粗粒土-混凝土以及凍融循環(huán)下凍土-混凝土界面力學(xué)特性的探討，目前針對寒區(qū)凍融循環(huán)下土石混合體-混凝土界面的細觀孔隙結(jié)構(gòu)演化特征以及界面宏觀力學(xué)特性劣化規(guī)律方面的研究鮮見報道，尤其尚未通過凍融后界面孔隙結(jié)構(gòu)演化特征來揭示界面宏觀力學(xué)特性劣化機制。

因此，本文針對寒區(qū)凍融循環(huán)下土石混合體-混凝土界面宏觀力學(xué)特性及劣化機制等問題，開展土石混合體-混凝土界面宏細觀試驗研究。選取含水率為15%，含石量為0、15%、35%、45%的土石合體-混凝土組合體試樣為研究對象，利用NMR 分層測試技術(shù)測定試樣界面處不同凍融循環(huán)次數(shù)后孔隙結(jié)構(gòu)演化特征；開展不同凍融循環(huán)次數(shù)后試樣的直剪試驗，探究其宏觀剪切力學(xué)特性；最后，基于分形理論對凍融循環(huán)下土石混合體-混凝土界面孔隙變化進行定量表征，結(jié)合凍融循環(huán)下孔隙結(jié)構(gòu)演化特征揭示界面強度劣化機制，以期為寒區(qū)工程建設(shè)及已建工程的針對性防控提供指導(dǎo)。

1 試樣的制備及試驗方法

1.1 試樣材料與試驗儀器

本試驗土樣取自青藏凍土區(qū)典型土質(zhì)-粉質(zhì)黏土，依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[29]將土體烘干、碾碎、過篩、重塑，得到符合試驗要求的重塑土樣，利用光電式液塑限儀測得其土體塑限為14.5%，液限為31.8%，土石混合體的級配曲線如圖1所示。試驗所用碎石巖性為花崗巖，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)[30]要求，碎石的最大粒徑不得超過試樣高度的1/4和試樣直徑的1/8，該大型直剪儀剪切盒的直徑為150 mm，高度為100 mm，確定最大碎石尺寸不超過20 mm，采用等量代替法剔除超粒徑碎石。為了真實體現(xiàn)實際工程中土石混合體-混凝土界面的接觸膠結(jié)狀態(tài)，本文采用現(xiàn)澆混凝土，混凝土配合比如表1所示。

圖1 土石混合體的級配曲線Fig. 1 Gradedations of soil rock mixture

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式直剪儀進行土石混合體-混凝土界面抗剪強度試驗，剪切速率為0.8 mm/min，試驗過程中，利用配套研制的數(shù)據(jù)采集裝置完成應(yīng)力、位移信號的實時采集。為了充分考慮尺寸效應(yīng)，本試驗對剪切盒進行改裝，改裝后直剪盒直徑150 mm、高100 mm，剪切盒分上下兩部分，高度均為50 mm，改裝后的大尺寸剪切盒如圖2(a)所示，土石混合體-混凝土界面正好與剪切盒剪切面重合，直剪儀工作原理如圖2(b)所示。

圖2 改進的大尺寸剪切盒及直剪原理示意圖Fig. 2 Modified large-size direct shear box and its mechanism

采用紐邁核磁共振微結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)(MacroMR12-150H-I型)對試樣進行核磁共振分層測試，如圖3 所示，其主要包括工控機(含譜議系統(tǒng))、射頻單元、磁體柜及控溫系統(tǒng)4個部分。

圖3 NMR測試系統(tǒng)Fig. 3 NMR test system

1.2 試樣制備及試驗過程

為充分考慮不同影響因素(凍融次數(shù)、含石率、法向應(yīng)力)對界面力學(xué)參數(shù)的影響，根據(jù)對青藏工程走廊風(fēng)火山站點的土石混合體淺表層取樣測試結(jié)果，選取含水率為15%，不同含石率(0、15%、35%、45%)的試樣，采用5種凍融循環(huán)次數(shù)(0、1、3、5、10次)，在不同法向應(yīng)力(100、150和200 kPa)下進行試驗，具體試驗工況如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Experimental conditions

土石混合體-混凝土界面試樣制備過程如下：依據(jù)規(guī)范要求，試樣土石混合體部分采用擊實法制備，首先，將天然風(fēng)干后分級過篩的試驗用土按試驗方案所需水量加入蒸餾水拌和均勻后密封靜置24 h，以保證土樣的含水量均勻一致；然后，配置4種含石率的土石混合體，分3層置于直徑為150 mm、高度為50 mm 的模具中并擊實，利用油壓千斤頂將土石混合體土樣頂出，置于高100 mm的模具內(nèi)?；炷敛糠植捎矛F(xiàn)澆混凝土，將攪拌均勻的混凝土澆筑到模具內(nèi)，并充分振搗使現(xiàn)澆混凝土與土石混合體充分接觸以及保證混凝土充分密實，為防止試樣水分蒸發(fā)，將制好的試樣用保鮮膜包裹并貼上標(biāo)簽裝入自封袋中密封，置于養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28 d，制得的試樣如圖4所示。

圖4 土石混合體-混凝土試樣Fig. 4 Soil-rock mixture-concrete sample

首先，對養(yǎng)護好的試樣進行凍融循環(huán)試驗，試樣用密封袋裝好后放在環(huán)境溫度為-25 ℃的低溫試驗箱里凍結(jié)12 h，在常溫(15～25 ℃)下融化12 h，即視為一次凍融循環(huán)。

其次，利用核磁共振試驗儀對不同凍融循環(huán)后的試樣進行分層測試，通過FID(free induction decay)序列調(diào)整射頻脈沖頻率與固有頻率一致，即尋找中心頻率測試，確定SE-SPI 分層序列參數(shù)，該核磁共振檢測范圍寬度為150 mm。根據(jù)前人對不同介質(zhì)界面試樣分層測試的分層結(jié)果[31]，分層測試將檢測區(qū)等分為33 層，每層寬度為4.55 mm(圖3)，其中，第6～16 層為土石混合體部分，第18～28層為混凝土部分，第17層為試樣界面層，第1～5層和第29～33層為試樣外側(cè)。通過對T2譜數(shù)據(jù)反演分析，進而揭示不同凍融次數(shù)后土石混合體-混凝土界面處孔隙結(jié)構(gòu)演化特征。

最后，利用改裝應(yīng)變式直剪儀對凍融不同次數(shù)后的試樣進行直剪試驗，試驗過程中實時記錄剪切應(yīng)力及剪切位移，演算凍融不同次數(shù)后界面抗剪強度及抗剪指標(biāo)，討論土石混合體-混凝土界面剪切應(yīng)力-位移曲線變化特征，明晰凍融循環(huán)對不同含石量土石混合體-混凝土界面抗剪強度及抗剪指標(biāo)的影響。

2 凍融作用下土石混合體-混凝土界面細觀孔隙結(jié)構(gòu)演化特征分析

土石混合體-混凝土界面通常被認為是相對較弱的區(qū)域，凍融循環(huán)下，土石混合體-混凝土界面和附近區(qū)域的孔隙變化明顯。因此，本文開展NMR 分層測試試驗，對界面區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)特征進行深入分析和探討，揭示凍融下界面層和鄰近層孔隙差異及其演化過程。為此，分析了不同含石率下土石混合體層、界面層及混凝土層孔隙T2譜分布，并比較了0、1、3、5和10次凍融循環(huán)后的T2譜分布特征。

不同層T2譜弛豫時間反映試樣內(nèi)部孔徑大小及分布，信號強度反映孔徑含量。橫向弛豫時間T2與孔徑r的對應(yīng)關(guān)系如下：

式中：r為孔隙半徑；ρ2為橫向表面弛豫強度；Fs為形狀幾何因子，參照前人研究[32]，ρ2Fs取0.2 μm/ms。

根據(jù)孔徑將試樣NMR 測試孔隙分為3 類，即微孔孔徑孔隙(T2＜10 ms，r＜2 μm)、介孔孔徑孔隙(10 ms＜T2＜100 ms，2 μm＜r＜20 μm)、大孔孔徑孔隙(T2＞100 ms，r＞20 μm)[33-34]。

由于不同含石率試樣的核磁結(jié)果大致相同，因此，本文僅選取含石率為35%的試樣的NMR測試結(jié)果進行分析。含石率為35%時土石混合體及界面層孔隙分布如圖5 所示。從圖5(a)可以看出，在第16層土石混合體部分，孔隙分布呈雙峰分布，微孔孔隙的T2譜主要分布在1～20 ms范圍內(nèi)，介孔孔隙主要分布在20～80 ms 范圍內(nèi)，且相對于微孔來說峰值較小。隨凍融次數(shù)的增加，左峰向右移動，微孔孔徑增加；右峰有向上、向右移動的趨勢，且峰面積變化不顯著，總體來說，土石混合體層孔隙率增大，孔隙孔徑具有變大的趨勢。同時可以看到，微孔與介孔中間的弛豫時間間隔變小，表明界面層微孔孔隙增多的同時原有微孔孔隙向介孔孔隙發(fā)育，此時，孔隙之間產(chǎn)生聯(lián)通效應(yīng)，導(dǎo)致界面處微裂紋的生成，誘發(fā)土石混合體-混凝土界面脫黏。在0～3次凍融循環(huán)中，孔隙大小和數(shù)量變化幅度相對較小，只有在5次循環(huán)時才變得顯著；凍融循環(huán)5次時，由于土石混合體骨架塌落相對應(yīng)的微孔隙體積有所減小，介孔孔隙增多。凍融循環(huán)10 次時，微孔孔隙數(shù)量明顯增多，相對應(yīng)的介孔孔隙有所減少。

圖5 含石率為35%時土石混合體及界面層孔隙分布Fig. 5 Pore distribution of soil-rock mixture and interface layer at rock content of 35%

從圖5(b)可以看出，在試樣界面層，T2譜分布具有2 個特征峰值。微孔孔隙T2譜分布在0.6～10 ms 的范圍內(nèi)，介孔孔隙主要分布在10～100 ms內(nèi)。T2譜分布范圍兼具了土石混合體和混凝土的孔隙孔徑分布特點。經(jīng)過3 次凍融循環(huán)時，2 個峰均向右移動，微孔孔徑增大，T2譜面積增加相對較??；但經(jīng)過5 次凍融循環(huán)時，由于土石骨架塌落，此時界面層微孔孔隙體積減小，介孔孔隙體積稍有增長。當(dāng)凍融循環(huán)10 次時，界面處孔隙經(jīng)多次凍融，微孔逐漸向介孔發(fā)展，孔隙間出現(xiàn)聯(lián)通現(xiàn)象，此時，空隙以介孔孔隙為主，表明土石混合體與混凝土界面處的聯(lián)結(jié)整體性變差，并且存在內(nèi)部孔隙缺陷，誘發(fā)界面脫黏劣化。

試樣混凝土部分為同一批材料制作，因此，在不同含石率下，第18 層混凝土側(cè)的孔隙演化規(guī)律基本一致，只對含石率15%時混凝土層的孔隙結(jié)構(gòu)分布情況進行分析，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可知：混凝土孔隙分布有2 個峰，主要為0.2～10 ms 范圍的微孔和20～100 ms 范圍的介孔，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微孔的孔體積逐漸增加，右側(cè)長松弛孔隙的T2譜向右上方擴展，意味著介孔的體積增加。在前5次凍融循環(huán)中，孔隙的這種變化相對較慢，當(dāng)凍融循環(huán)5～10 次時，這種變化逐漸變得明顯。

圖6 含石率為15%時混凝土層孔隙分布Fig. 6 Pore distribution of concrete layer at rock content of 15%

以含石率15%的土石混合體層及界面層核磁共振譜面積變化情況為例進一步說明凍融循環(huán)下界面區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，土石混合體層及界面層譜面積及其增長率分別如表3和表4所示。從表3和表4可以看出：隨凍融次數(shù)增加，試樣T2總譜面積在不斷增加，總孔隙體積不斷增大。在整個凍融循環(huán)過程中，土石混合體層及界面層峰1微孔孔隙增長趨勢大致相同，其中，與凍融0 次時相比，凍融1次時，土石混合體層和界面層的峰1譜面積增長率分別為5.48%和4.42%，與凍融循環(huán)1次時相比，凍融循環(huán)3次時，土石混合體層和界面層的峰1 譜面積增長率分別為8.35%和5.38%；凍融循環(huán)5次時，峰的譜面積有所減小，與凍融循環(huán)3 次時相比，土石混合體層和界面層的峰1 的譜面積增長率分別為-2.05%和-2.37%，這和土石混合體因凍融循環(huán)造成的骨架塌落有關(guān)；與凍融循環(huán)5次時相比，凍融循環(huán)10 次時，土石混合體層和界面層的峰1的譜面積增幅分別為14.51%和11.96%。與凍融循環(huán)0次相比，凍融循環(huán)5次時，土石混合體層及界面層峰2 介孔譜面積增長率分別為50.45%和62.83%。可見，界面層的孔隙增長較多，受凍融影響較大；凍融循環(huán)10 次時，峰2 介孔譜面積都呈減少趨勢，與凍融循環(huán)5 次時相比，土石混合體層和界面層的峰2的譜面積增長率分別為-21.56%和-28.26%，說明凍融對界面區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)演化影響顯著。

表3 含石率15%土石混合體層核磁共振譜面積及增長率Table 3 MRI spectrum area and its growth rate of the earth and stone mix layer with rock content of 15%

表4 含石率15%界面層核磁共振譜面積及增長率Table 4 MRI spectrum area and its growth rate of interface layer with rock content of 15%

3 凍融作用下土石混合體-混凝土界面宏觀力學(xué)特征分析

3.1 土石混合體-混凝土界面剪切應(yīng)力-剪切位移特征分析

根據(jù)土石混合體-混凝土界面直剪試驗結(jié)果，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同含石率試樣界面的剪切應(yīng)力-位移曲線如圖7所示。從圖7可以看出：試樣界面力學(xué)行為表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，曲線可明顯分為峰值前剪切應(yīng)力增長階段I、峰值后軟化階段Ⅱ及殘余穩(wěn)定階段Ⅲ。

圖7 不同凍融次數(shù)和含石率下界面剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig. 7 Interfacial shear stress-shear displacement curves under different freeze-thaw cycles and rock contents

不含石試樣在剪切過程中出現(xiàn)土顆粒被壓密，土顆粒骨架互鎖作用增強使土顆粒之間的基質(zhì)吸力及毛細吸力作用增強，其與混凝土接觸面的膠結(jié)作用有所強化。從圖7(a)可以看出：在剪切過程中所需的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢并在剪切位移為7 mm時達到應(yīng)力峰值，試樣進一步剪切時內(nèi)部出現(xiàn)較明顯微裂縫，與界面的黏結(jié)作用減弱，進而剪切帶出現(xiàn)貫通的裂縫試樣最終破壞。不同含石率下界面法向位移-剪切位移關(guān)系曲線如圖8 所示。由圖8可看出：當(dāng)試樣最終破壞時，法向位移為-2.1 mm，主要是因為在土顆粒發(fā)生相對位移后，膠結(jié)力被破壞且不能恢復(fù)，加之土體處于欠壓密狀態(tài)，土骨架不穩(wěn)定，受到剪切擾動破壞了顆粒間的剛性結(jié)構(gòu)聯(lián)系，土體將在法向應(yīng)力作用下進一步壓密，此時，剪切過程表現(xiàn)出剪縮現(xiàn)象。

圖8 不同含石率下界面法向位移-剪切位移關(guān)系曲線Fig. 8 Interfacial normal displacement-shear displacement curves under different rock contents

含有碎石的試樣在剪切初期土顆粒以及碎石與混凝土緊密聯(lián)結(jié)，由圖8可以看出，在剪切位移2 mm之前出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象，此時黏聚力主要由土顆粒與混凝土的黏結(jié)力、摩擦力及咬合力和碎石與混凝土之間的咬合力及滑動摩擦力提供，其黏聚力足夠大，在剪切變形過程中剪切應(yīng)力快速增大，隨后土顆粒及碎石出現(xiàn)滑動和滾動導(dǎo)致界面發(fā)生塑性變形直至峰值應(yīng)力。由于土顆粒和碎石的滾動作用，部分碎石滾動較慢阻礙旁邊碎石的翻滾，碎石與碎石之間出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，最終導(dǎo)致此處起拱，含石率15%、35%、45%的試樣最終破壞時，其豎向位移分別為1.82、3.02 和5.17 mm，不同含石率試樣出現(xiàn)不同程度的剪脹現(xiàn)象。不同含石率條件下，界面處剪切應(yīng)力均在水平位移小于7 mm時到達峰值。在峰值后軟化階段，界面微裂縫急劇增加，試樣抗變形能力逐漸減弱，土顆粒和碎石完全開始滑動，界面處土體逐漸脫粘，之后隨著位移的增加剪切應(yīng)力也逐漸下降直至穩(wěn)定。

為了說明凍融作用對土石混合體-混凝土界面剪切力學(xué)行為的影響，選取含石率15%試樣在不同凍融次數(shù)下的剪切應(yīng)力-剪切位移特征曲線為例進行分析。由圖7(b)可知，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0～3次時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，剪切應(yīng)力峰值呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)凍融循環(huán)5次時，界面剪切應(yīng)力有一個較小幅度提升，凍融循環(huán)10 次時，剪切應(yīng)力有較大幅度的降低。

經(jīng)過3次凍融循環(huán)，土石混合體內(nèi)部水分反復(fù)凍結(jié)再融化，使得土顆粒出現(xiàn)微裂縫并變得酥脆，隨著凍融次數(shù)的增加，酥脆化現(xiàn)象更加明顯，直至粗顆粒破碎成較小土顆粒，這種現(xiàn)象改變了界面處土顆粒及碎石與混凝土的接觸形態(tài)，土顆粒與混凝土的接觸由面-面接觸轉(zhuǎn)化為點-面接觸以及點-點接觸，接觸黏結(jié)整體性變差，從而膠結(jié)力逐漸減弱，導(dǎo)致剪切應(yīng)力有所下降；另一方面，粗顆粒土破碎后形成的細小顆粒土包裹碎石使碎石表面變得圓潤，導(dǎo)致其與混凝土之間的咬合力及摩擦力有所降低。當(dāng)凍融循環(huán)達到5次時，土石混合體骨架發(fā)生較小幅度塌落，骨架相對凍融循環(huán)5次前較為密實，孔隙有所減少，加上法向應(yīng)力的作用，界面處的土顆粒及被細小顆粒包裹的碎石與混凝土之間產(chǎn)生較好的黏結(jié)、咬合作用，界面處剪切應(yīng)力有所提高。繼續(xù)增加凍融循環(huán)次數(shù)時，土體骨架繼續(xù)劣化發(fā)生錯動、位移等行為，界面處的黏結(jié)作用也持續(xù)減弱，在剪切過程中剪切應(yīng)力相應(yīng)的減小。

3.2 土石混合體-混凝土界面抗剪強度分析

土石混合體經(jīng)過凍融作用內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，此外凍融作用影響土顆粒及碎石與混凝土表面之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系進而影響界面的力學(xué)行為。圖9 所示為凍融循環(huán)下不同含石率土石混合體-混凝土界面抗剪強度的變化規(guī)律。從圖9 可以看出，土石混合體-混凝土界面抗剪強度隨著凍融次數(shù)的增加整體上呈下降趨勢，可以分為3個階段，即階段I(凍融循環(huán)1～3次)快速下降階段、階段Ⅱ(凍融循環(huán)3～5 次)上升階段和階段Ⅲ(凍融循環(huán)5～10 次)緩慢下降階段。

圖9 不同法向應(yīng)力下抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig. 9 Relationship between shear strength and freezethaw cycles under different normal stresses

凍融循環(huán)次數(shù)小于3 次時，4 種含石率試樣的抗剪強度均呈下降趨勢，其中，含石率為45%時，試樣的抗剪強度下降最為明顯。這主要是因為在凍融循環(huán)初期，在凍融循環(huán)下，土石混合體內(nèi)部冰水相變循環(huán)往復(fù)，土石混合體內(nèi)部孔隙變化使得土與碎石骨架遷移重組，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著劣化，從核磁結(jié)果也可看出，隨著凍融次數(shù)的增加，微孔的特征峰值向右移動，微孔與介孔中間的弛豫時間間隔變小，表明界面層微孔孔隙增多的同時，原有微孔孔隙向介孔孔隙發(fā)育，此時，孔隙之間產(chǎn)生聯(lián)通效應(yīng)，導(dǎo)致界面處微裂紋生成，界面整體性變差，土石混合體與混凝土界面產(chǎn)生脫黏現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為凍融循環(huán)后界面抗剪強度的下降。

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為3～5次時，抗剪強度有較明顯的上升，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)于：在經(jīng)過反復(fù)凍融時，土石混合體內(nèi)部孔隙數(shù)量增多且孔徑增大，土石骨架之間的黏結(jié)力減弱，導(dǎo)致骨架發(fā)生錯動變形，最終在5次凍融循環(huán)時土體結(jié)構(gòu)發(fā)生塌落，界面層核磁結(jié)果也顯示總體孔隙體積相對減少，在剪切過程中，由于法向應(yīng)力的存在使得剪切錯動帶處土石混合體與混凝土之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系變得相對緊密，進而提高了界面抗剪強度。在凍融循環(huán)5次時，土石混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生塌落重組，可以把第5 次凍融循環(huán)稱為骨架結(jié)構(gòu)變形“分水嶺”。

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)5～10 時，抗剪強度下降趨勢有所減緩，其中含石率45%的試樣的抗剪強度趨于穩(wěn)定，其他含石率試樣的抗剪強度仍呈下降趨勢。隨著凍融次數(shù)的增加，土體內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)損傷劣化持續(xù)發(fā)生，孔隙不斷發(fā)育、擴展形成新的微裂縫，界面處劣化脫黏效應(yīng)逐漸減弱，即抗剪強度表現(xiàn)為緩慢下降趨勢。

土石混合體含石率的變化直接影響土石混合體-混凝土界面的抗剪強度。由圖9 還可知，在相同的法向應(yīng)力下，在0次凍融循環(huán)時，隨著含石量的增加，界面抗剪強度整體上呈現(xiàn)出上升的趨勢。在初始凍融循環(huán)(0～3 次)時，不含石的界面強度比含石率為15%時的界面強度稍大，但是含石率超過閾值(35%)到達45%時，界面處抗剪強度急劇降低。

表5所示為含石率15%試樣在不同法向應(yīng)力條件下的界面抗剪強度。由表5可以看出：界面處的法向應(yīng)力和抗剪強度呈正相關(guān)，即法向應(yīng)力越大，其界面抗剪強度越大，這是由于法向應(yīng)力的存在會直接對凍融后骨架松散的土石混合體產(chǎn)生擠壓的效果，使得土顆粒間以及土顆粒和碎石之間的孔隙相對減少，增加了顆粒間的聯(lián)結(jié)效應(yīng)，進而增強土石混合體的骨架效應(yīng)，且隨著法向應(yīng)力的增大，擠壓骨架效果越來越明顯，即界面抗剪強度在不斷增大。

表5 不同法向應(yīng)力下界面抗剪強度Table 5 Interfacial shear strength under different normal stresses 抗剪強度/kPa

3.3 土石混合體-混凝土界面抗剪指標(biāo)變化規(guī)律分析

依據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，結(jié)合圖9 得出的凍融循環(huán)作用下界面抗剪強度變化規(guī)律，得到土石混合體-混凝土界面抗剪強度指標(biāo)，如圖10所示。

圖10 抗剪強度指標(biāo)和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig. 10 Relationship between shear strength index and freeze-thaw cycles

從圖10(a)可見，試樣黏聚力呈現(xiàn)急速下降后反翹又繼續(xù)降低的趨勢。經(jīng)過0～3 次凍融循環(huán)后，黏聚力急劇降低，此時，界面區(qū)孔隙數(shù)量增多，膠結(jié)力減弱；經(jīng)過5次凍融循環(huán)時，黏聚力有所增大，這是因為冰晶體凍結(jié)融化一定次數(shù)后導(dǎo)致土石混合體骨架發(fā)生塌落，土石顆粒間孔隙減少，破碎的土顆粒包裹碎石以及細粒土在法向應(yīng)力下與混凝土面接觸點變多膠結(jié)作用增強，黏聚力有所提升；此后，土石混合體在凍融作用下持續(xù)劣化脫黏，黏聚力減小并趨于穩(wěn)定。

此外，在相同凍融次數(shù)下，試樣的黏聚力隨含石量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。值得注意的是，3次凍融循環(huán)后，含石率為45%試樣的黏聚力降低幅值最大。當(dāng)含石率低于35%時，界面處土顆粒與混凝土接觸形成的膠結(jié)力及摩擦力占主導(dǎo)地位，碎石與混凝土之間的咬合力較小，此時，由細土顆粒及碎石共同控制界面處的變形和強度特性。當(dāng)含石率達45%時，界面處堆積著大量的碎石，這時界面處的抗剪強度主要由碎石與混凝土的摩擦力及咬合力提供，細顆粒土在碎石間起到填充作用，此時碎石骨架與混凝土的咬合力占主導(dǎo)地位。

從圖10(b)可知：隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的內(nèi)摩擦角呈先增加后降低再上升最后下降的規(guī)律，同時隨含石率的增大而增大。在經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后，內(nèi)摩擦角出現(xiàn)增大現(xiàn)象，這是因為凍融循環(huán)1次時，粗土顆粒就出現(xiàn)微裂縫，導(dǎo)致其與混凝土界面膠結(jié)力也相應(yīng)降低，此時，內(nèi)摩擦角主要由碎石來承擔(dān)。凍融循環(huán)2～10 次時，粗粒土骨架經(jīng)過凍脹消融發(fā)生劣化，粗粒土產(chǎn)生微裂縫甚至破碎分解，分解后細小土顆粒由于骨架變形產(chǎn)生的擠壓使其緊緊包裹在碎石表面，此時碎石棱角不再尖銳，進而與混凝土的咬合及嵌固能力減弱，在剪切過程中出現(xiàn)較明顯的滑移段，整體上內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)減小趨勢，但隨著含石率的增大，內(nèi)摩擦角衰減率明顯減小，這是因為界面內(nèi)摩擦角主要由碎石和混凝土之間咬合作用力提供，凍融作用對其影響較小。其中，凍融循環(huán)3～5 次時，內(nèi)摩擦角有小幅度的增大，這是由于土石骨架塌落導(dǎo)致接觸面處土顆粒與混凝土的黏結(jié)作用增強，即在剪切時兩者之間的摩擦作用力增大導(dǎo)致。

4 凍融作用下土石混合體-混凝土界面力學(xué)特性劣化機制分析

4.1 凍融下土石混合體-混凝土界面孔隙分形特征

為開展凍融循環(huán)下土石混合體-混凝土界面處孔隙結(jié)構(gòu)定量化分析，本文引入分形理論，基于NMR 分層測試結(jié)果，利用核磁分形維數(shù)對界面孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性進行解釋。根據(jù)分形理論[35-36]，若試樣界面層內(nèi)部孔隙符合分形特征，則大于r的孔隙數(shù)目N(r)與r滿足如下關(guān)系：

式中，rmax為試樣界面層中最大孔隙半徑；P(r)為孔徑分布的密度；a為與內(nèi)部孔隙形狀相關(guān)的系數(shù)；D為孔隙的分形維數(shù)。

對式(2)中r進行求導(dǎo)可得到界面區(qū)孔徑分布密度函數(shù)P(r)：

式中：a'=-Da。

試樣內(nèi)部孔隙累計體積可表示為：

式中：rmin為界面區(qū)中最小孔隙半徑。

將式(3)代入式(4)可得：

進而得出試樣總孔隙體積求解公式為：

通過式(5)和式(6)則可求得孔隙的體積分數(shù)為：

式中：rmin?rmax，因而，式(7)進一步簡化為：

根據(jù)式r=ρ2FsT2中孔隙半徑r和弛豫時間T2的關(guān)系，可得：

對式(9)左右兩邊取對數(shù)，則

由式(10)可以看出，若試樣界面區(qū)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)具有分形特征，則認為lgSv和lgT2具有線性關(guān)系?？赏ㄟ^線性相關(guān)系數(shù)來判斷試樣內(nèi)部孔隙符合分形結(jié)構(gòu)的程度。若線性相關(guān)性較高，則可通過NMR分形維數(shù)表征組合體界面處內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。根據(jù)NMR 測試結(jié)果可知：T2譜存在2 個特征峰值，將第1個波峰截止處所對應(yīng)的T2值設(shè)為T2a，將第2 個波峰開始處對應(yīng)的T2值設(shè)為T2b。通過對2個波峰所對應(yīng)的lgSv和lgT2進行擬合求得分形維數(shù)D，結(jié)果如表6所示，其中K為擬合曲線的斜率，R2為相關(guān)系數(shù)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)R2可以認為lgSv和lgT2具有較好的線性關(guān)系，即土石混合體-混凝土界面區(qū)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)具有較強的分形特性。

表6 不同工況下界面層孔隙分形維數(shù)Table 6 Pore fractal dimensions of interface layer under different conditions

從表6可以看出：隨著凍融次數(shù)增加，界面孔隙分形維數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，界面層孔隙分布多樣且復(fù)雜。當(dāng)含石率為35%，未經(jīng)凍融時，微孔孔隙分形維數(shù)為2.279 5，3 次凍融循環(huán)后，增加了0.005 8，5 次凍融循環(huán)后，為2.261 4，減小了0.018 1，10 次凍融循環(huán)后，孔隙分形維數(shù)下降為2.255 8，同時可以看出，未經(jīng)歷凍融的介孔孔隙分形維數(shù)為2.291 3，3 次凍融后增加了0.007 8，經(jīng)5 次凍融循環(huán)后，為2.289 3，減小了0.009 8，10 次凍融循環(huán)后，減小到2.281 0。由此可見，界面孔隙特征受凍融循環(huán)影響劇烈。界面處的孔隙復(fù)雜程度主要由內(nèi)部土顆粒的團聚程度決定，當(dāng)土以細顆粒形式填充于塊石間時，試樣的密實度高，內(nèi)部孔隙復(fù)雜程度較低，相應(yīng)的分形維數(shù)較小。而當(dāng)土顆粒受外界環(huán)境影響形成團聚大顆粒后，內(nèi)部變得松散，孔隙復(fù)雜度高，分形維數(shù)較大。

由表6還可以看出，隨著含石率的增大，分形維數(shù)逐漸增大。當(dāng)含石率小于15%時，細顆粒土占主導(dǎo)地位，并完全包裹了碎石，碎石之間沒有形成有效的接觸，幾乎懸浮在細粒土中，碎石骨架效應(yīng)不明顯，孔隙復(fù)雜程度低，分形維數(shù)D較小。當(dāng)含石量較大時，界面處堆積較多的碎石，形成碎石骨架效應(yīng)，界面處有碎石與混凝土的點-點接觸及點-面接觸，細顆粒土填充于碎石之間，形成碎石包裹體，孔隙復(fù)雜度高，分形維數(shù)變大。

4.2 土石混合體-混凝土界面力學(xué)特性劣化機制分析

土石混合體主要由碎石及粗粒土組成，兩者相互膠結(jié)、咬合構(gòu)成了土石混合體的主要骨架結(jié)構(gòu)，細顆粒土則填充在骨架之中起到一定的聯(lián)結(jié)作用。凍融作用下，冰晶體消融、遷移、再凍結(jié)改變其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征致使土石混合體骨架發(fā)生多次重組，由界面核磁T2譜可知，界面層孔隙結(jié)構(gòu)特征受凍融作用影響顯著，基于不同凍融次數(shù)后界面細觀孔隙結(jié)構(gòu)演化特征、譜面積以及孔隙分形特性繪制出界面劣化機理圖，如圖11所示。

圖11 凍融循環(huán)下界面強度劣化機理Fig. 11 Mechanism of deterioration of interface strength under the freeze-thaw cycle

試驗所選用青藏高原典型粉質(zhì)黏土的結(jié)構(gòu)性對凍融循環(huán)敏感度較高，在凍融循環(huán)0～1次時，土體內(nèi)部的冰、水反復(fù)相變，凍結(jié)時，體積膨脹對周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓效果，土石顆粒的有序排列被打亂，在這一過程中，細顆粒土聚集會出現(xiàn)不同程度的團聚體[37]，界面層孔隙體積和分形維數(shù)均發(fā)生了增大。低含石試樣界面處主要由土體起主導(dǎo)作用，較少的碎石被細顆粒土所包裹，由于孔隙體積的增多界面產(chǎn)生較大損傷，土體整體性變差，在剪切過程中，土體與混凝土黏結(jié)力減小，最終宏觀上體現(xiàn)為抗剪強度降低；高含石試樣界面處主要通過碎石與混凝土的摩擦、咬合提供剪切力，由于凍融作用界面層孔隙體積變多，土石混合體整體變得松散，碎石與土顆粒的聯(lián)結(jié)作用減弱，在剪切時，碎石與混凝土的咬合力變小，抗剪強度表現(xiàn)為降低。在凍融循環(huán)3～5 次時，界面處微孔孔隙數(shù)量有較大幅度減少，究其原因是大多數(shù)塊狀顆粒土微裂紋急劇增多徹底變脆，受凍脹力擠壓顆粒破碎后成為細土顆粒，使得土石混合體內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生錯位移動及塌落，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度減小，相應(yīng)的分形維數(shù)相對減小。此時界面層整體結(jié)構(gòu)性相對3次凍融循環(huán)時有所增強，即在凍融循環(huán)5次時，界面抗剪強度出現(xiàn)較小幅度反翹現(xiàn)象。在凍融循環(huán)5～10 次時，土石混合體骨架沒有明顯變化，附著在塊石外部的土顆粒逐漸剝落，而剝落后細小土顆粒松散分布于碎石間使微孔孔隙體積減小，介孔孔隙體積增大而分形維數(shù)減小，由于凍融損傷持續(xù)疊加使得其界面宏觀力學(xué)性能均出現(xiàn)不同程度的劣化。

5 結(jié)論

1) 基于NMR分層測試獲取了凍融循環(huán)下界面區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)演化特征。土石混合體層及界面層T2譜均有2 個峰值，隨凍融次數(shù)增加向右發(fā)生偏移，整體孔隙體積呈現(xiàn)增大趨勢，反映了凍融過程孔隙結(jié)構(gòu)的演化特性。

2) 通過對土石混合體-混凝土試樣進行界面直剪試驗，獲得了凍融循環(huán)下界面力學(xué)特性的演化規(guī)律。剪切應(yīng)力-位移曲線表現(xiàn)出應(yīng)變軟化型，曲線明顯分為峰值前剪切應(yīng)力增長階段、峰值后軟化階段及殘余穩(wěn)定階段。界面抗剪強度和黏聚力變化趨勢一致，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)出急劇下降、反翹、緩慢下降的趨勢。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)上升、下降再上升后下降的趨勢，受含石率的影響較大，含石率越高，內(nèi)摩擦角越大。

3) 界面層孔隙結(jié)構(gòu)具有較好的分形特性，通過分形維數(shù)的變化可以認為，界面層孔隙復(fù)雜程度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小，隨含石率的增加而增大。結(jié)合界面孔隙結(jié)構(gòu)演化特征及分形特性揭示了界面強度劣化機制。在第1次凍融循環(huán)后，土石混合體內(nèi)部土顆粒聚集成較大的團聚體，孔隙體積增大，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度變大，界面處整體性下降；在凍融循環(huán)1～5次時，團聚的土顆粒逐漸變脆破碎導(dǎo)致骨架塌落、孔隙收縮，孔隙復(fù)雜程度變小，界面處黏結(jié)性變好，把凍融循環(huán)5 次稱為骨架結(jié)構(gòu)變形的“分水嶺”；之后，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，碎石外部的土顆粒逐漸剝落，使試樣孔隙體積增大，界面逐漸脫黏劣化。